The ground input motions used for seismic analysis of structures are studied in this paper, The one-dimensional wave propagation theory, the simple transfer function by Elsabee and Morray, and the finite element method that can account for the effect of scattering field, respectively, are used to get the ground input motions, and the results by these methods are compared among others. The responses of structures are also computed by both finite element analysis and elastic half space analysis, using the ground input motions obtained by the different methods mentioned above, and the computed results are analyzed. In addition, the parameteric study Is performed to analyze the effect of the increase of soil stiffness on the response of structures, and on that of the ground input motions. The responses of structures obtained are compared with the results obtained using the Building Code on seismic analysis for structures in Korea. The results of this study show that the ground input motions obtained without considering the effect of scattering field was 2 times larger than those with scattering effect, concluding that the effect of scattering field may not be ignored when obtains the ground input motion.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.14
no.1
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pp.30-45
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2013
The present work focuses on the unsteady aerodynamics and aeroelastic properties of a small-medium sized wind-turbine blade operating under ideal conditions. A tapered/twisted blade representative of commercial blades used in an experiment setup at the National Renewable Energy Laboratory is considered. The aerodynamic loads are computed using Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques. For this purpose, FLUENT$^{(R)}$, a commercial finite-volume code that solves the Navier-Stokes and the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations, is used. Turbulence effects in the 2D simulations are modeled using the Wilcox k-w model for validation of the CFD approach. For the 3D aerodynamic simulations, in a first approximation, and considering that the intent is to present a methodology and workflow philosophy more than highly accurate turbulent simulations, the unsteady laminar Navier-Stokes equations were used to determine the unsteady loads acting on the blades. Five different blade pitch angles were considered and their aerodynamic performance compared. The structural dynamics of the flexible wind-turbine blade undergoing significant elastic displacements has been described by a nonlinear flap-lag-torsion slender-beam differential model. The aerodynamic quasi-steady forcing terms needed for the aeroelastic governing equations have been predicted through a strip-theory based on a simple 2D model, and the pertinent aerodynamic coefficients and the distribution over the blade span of the induced velocity derived using CFD. The resulting unsteady hub loads are achieved by a first space integration of the aeroelastic equations by applying the Galerkin's approach and by a time integration using a harmonic balance scheme. Comparison among two- and three- dimensional computations for the unsteady aerodynamic load, the flap, lag and torsional deflections, forces and moments are presented in the paper. Results, discussions and pertinent conclusions are outlined.
Isavand, S.;Bodaghi, M.;Shakeri, M.;Mohandesi, J. Aghazadeh
Steel and Composite Structures
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v.18
no.1
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pp.1-28
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2015
In this paper, the dynamic response of functionally gradient steel (FGS) composite cylindrical panels in steady-state thermal environments subjected to impulsive loads is investigated for the first time. FGSs composed of graded ferritic and austenitic regions together with bainite and martensite intermediate layers are analyzed. Thermo-mechanical material properties of FGS composites are predicted according to the microhardness profile of FGS composites and approximated with appropriate functions. Based on the three-dimensional theory of thermo-elasticity, the governing equations of motionare derived in spatial and time domains. These equations are solved using the hybrid Fourier series expansion-Galerkin finite element method-Newmark approach for simply supported boundary conditions. The present solution is then applied to the thermo-elastic dynamic analysis of cylindrical panels with three different arrangements of material compositions of FGSs including ${\alpha}{\beta}{\gamma}M{\gamma}$, ${\alpha}{\beta}{\gamma}{\beta}{\alpha}$ and ${\gamma}{\beta}{\alpha}{\beta}{\gamma}$ composites. Benchmark results on the displacement and stress time-histories of FGS cylindrical panels in thermal environments under various pulse loads are presented and discussed in detail. Due to the absence of similar results in the specialized literature, this paper is likely to fill a gap in the state of the art of this problem, and provide pertinent results that are instrumental in the design of FGS structures under time-dependent mechanical loadings.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.6
no.2
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pp.87-93
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2013
In order to study the effect of the fluid-structure interaction (FSI) on the simulation results, the external characteristics and internal flow features of a diffuser pump were analyzed with a two-way flow solid coupling method. And the static and dynamic structure analysis of the blade was also caculated with the FEA method. The steady flow field is based on Reynolds Averaged N-S equations with standard $k-{\varepsilon}$ turbulent model, the unsteady flow field is based on the large eddy simulation, and the structure response is based on elastic transient structural dynamic equation. The results showed that the effect of FSI on the head prediction based on CFD really exists. At the same radius, the van mises stress on the nodes closed shroud and hub was larger than other nodes. A large deformation region existed near inlet side at the middle of blades. The strength of impeller satisfied the strength requirement with static stress analysis based on the fourth strength theory. The dynamic stress varied periodically with the impeller rotating. It was also found that the fundamental frequency of the dynamic stress is the rotating frequency and its harmonic frequency. The frequency of maximum stress amplitude at node 1626 was 7 times of the rotating frequency. The frequency of maximum stress amplitude at node 2328 was 14 times of the rotating frequency. No matter strength failure or fatigue failure, the root of blades near shroud is the key region to analyse.
Kim, Sung-Bo;Han, Man-Yop;Kim, Moon-Young;Kim, Nak-Kyung;Ji, Tea-Sug
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.18
no.1
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pp.79-91
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2005
The behaviors and design procedures of wale in innovative prestressed support(IPS) system are presented in this paper. Using the theory of the beam on elastic foundation, the member forces of the wale under initial pretension are evaluated. Choosing cable tensions as redundant forces, member forces subjected to earth pressure are calculated by the statically indeterminate analysis. The computer analysis model under uniform and non-uniform earth pressure is constructed using beam element for the IPS wale, tension-only element for cable, and compression-only element for soil. Axial forces and bending moments of IPS wale under initial pretension and design earth pressure are calculated. The combined stresses due to these axial force and bending moment are estimated to satisfy the design formula.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1991.10a
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pp.133-138
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1991
The aim of the present paper is to develop a computer program predicting ultimate fracture strength of initially cracked structure under monotonically increasing external loads. For this purpose, two kinds of 3-D isoparametric solid elements, one 6-node wedge element and another 8-node brick element are formulated along the small deformation theory. Plasticity in the element is checked using von Mises' yield criterion. Elasto-plastic stiffness matrix of the element is calculated taking account of strain hardening effect. If the principal strain at crack tip which is one nodal point exceeds the critical strain dependin on the material property, crack tip is supposed to be opened and the crack tip node which was previously constrained in the direction perpendicular to the crack line is released. After that, the crack lay be propagated to the adjacent node. Once a crack tip node is fractured, the energy of the newly fractured node should be released which is to be absorbed by the remaining part. The accumulated reaction force which was carried by the newly fractured node so far is then applied in the opposite direction. During the action of crack tip relief force, since unloading may be occured in the plastic element, unloading check should be made. If a plastic element unloads, elastic stress-strain equation is used in the calculation of the stiffness matrix of the element, while for a loading element, elasto-plastic stress-strain equation is continuously used. Verification of the computer program is made comparing with the experimental results for center cracked panel subjected to uniform tensile load. Also some factors affecting ultimate fracture strength of initially cracked plate are investigated. It is concluded that the computer program developed here gives an accurate solution and becomes useful tool for predicting ultimate fracture load of initially cracked structural system under monotonically increasing external loads.
This paper introduces a novel method to quantify the morphological evolution of the strain response envelope. The strain response envelope is defined as an image in strain increment space corresponding to the unit stress input in stress space. Based on the shape of strain response envelopes, the deformation characteristics of soils can be described using the framework of elastic-plastic theory. Fourier descriptor analysis was used to investigate the morphological characteristics of strain response envelopes. The numerical results show that when the stress input remains in the initial yield surface the Fourier descriptors remain constant. Once the stress input crosses the initial yield surface, every descriptors deals in this study change. Numerical and experimental results of this study show that clear yielding response is only found in natural block samples. Among the Fourier descriptors, the descriptor called as asymmetry is the best for detecting the yield and is minimally sensitive to the number of input stress paths.
The first Korean earthquake resistant design code was enacted in 1988. In the code, the soil factor which takes into account both the soil amplification factor and the soil -structare interaction effect is divided into three groups : soil factor, 5 : 1.0, 1.2 and 1.5. In order to assist in choosing the soil factors appropriately in the earthquake resistant design, the local site effects on the based shear force induced by earthquakes are considered in depth for typical soil conditions in Korea. The depth of the alluvial and/or weathered zone is usually not deep and the fresh rock is found at depth shallower than 20 meters, and even at about 10 meters around Seoul. One dimensional wave propagation theory and the elastic half space method are used to obtain the soil -structure interaction effect as well as the soil amplification effect. The kinematic interaction effect due to scattering of waves by pile foundation is also considered. Finally, the soil factor is recommended for each soil condition from loose state to dense, and also from shallow soil depth to deep, so that the designer can choose the factor with-out difficulty.
Wave-induced response, liquefaction and stability of unsaturated seabed are studied. The unsaturated seabed is modeled as a fluid-filled polo-elastic medium. The coupled process of fluid flow and the deformation of soil skeleton is formulated in the framework of Biot's theory. The resulting governing equations are solved using a semi-analytical method to evaluate the stresses and pore water pressure of unsaturated and multi-layered seabed. The semi-analytical method can be applied to calculate a pore pressure and the stresses of in anisotropic inhomogeneous seabed. The results indicate that the degree of saturation influences mostly on the magnitudes of a pore pressure and the stresses of unsaturated and multi-layed seabed. Based on the pore pressure and stresses in seabed, the analysis on the possibilities of liquefaction and shear failure was performed. The results show that the maximum depth of shear failure occurrence is deeper than the maximum liquefaction depth.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.8
no.1
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pp.159-164
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1988
The directions of the principal strain increment, stress, and stress increment during rotation of the principal stress axes at any stress level was studied for $K_0$-consolidated clay using torsion shear apparatus with individual control of the vertical stress, the confining pressure, and the shear stress on hollow cylinder specimens under undrained and drained condition. The torsion shear tests were performed according to predetermined stress-paths, which were chosen to cover over the full range of rotation of principal stress axes. The test results indicated that the strain increment vectors at failure coincided with the stress vectors. That is, the direction of strain increment coincided with the direction of stress increment at small stress levels and with the direction of stress at higher stress levels, which indicated that the behavior of clay was transfered from elastic to plastic as the stress level was increased. The applicability of the elastoplastic theory for modeling of the behavior of clay during rotation of the principal stress axes was given.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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